CN109149921B - 一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法 - Google Patents

一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于不连续脉宽调制的新型死区补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：根据目标电压矢量所在扇区，以及三相定子电流各自的极性，得到由死区产生的a、b、c三相相对下桥臂直流母线的电压误差；根据电压误差，得到由死区与管压降引起的a、b、c三相各自的相电压误差；对相电压误差进行三相静止到两相静止坐标系的等幅值变换，得到相电压在两相静止坐标系下的电压误差；再结合实时转子磁链位置角，计算在两相旋转坐标系的相电压误差；对相电压进行电压前馈补偿；最后根据电压前馈补偿后得到的在两相旋转坐标系的指令电压，以及转子磁链角度和直流母线电压，执行DPWM调制策略；本发明可广泛应用在交流传动系统与光伏并网系统。

Description

一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法
技术领域
本发明涉及不连续脉宽调制方法，具体涉及一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法。
背景技术
不连续脉宽调制策略(discontinuous pulse modulation strategy,DWPM)与传统的空间矢量调制策略相比，能够有效减小开关次数，从而减小开关损耗，提高电压源型逆变系统(voltage source inverter,VSI)的变换效率。由于开关器件在关断时存在延时，因此为了防止逆变器上下桥臂出现直通而烧坏直流电源，需要对一个开关器件的驱动信号加入开通延时，此时存在一段上下桥臂开关器件均为关断状态的时间，称为死区时间。死区时间会引起逆变器输出电压幅值降低，低次谐波增加，降低感应电机定子电流的波形质量，电机电磁转矩脉动增加，磁链形状不够规则。因此需要对死区引起的电压误差进行补偿，最常见的是对每相桥臂的占空比进行在线或离线补偿，然而对于DPWM调制策略并不适用，因为任意开关周期均有一相桥臂的开关管不动作，即占空比为0，无法对该相的占空比进行修改，因此需要对DPWM调制策略的死区效应问题采用新的补偿方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法。
为了解决上述技术问题，根据本发明的技术方案，一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法，所述方法是用于驱动感应电机的三相电压源逆变系统中，其特征在于：包括如下步骤：
第一步、根据目标电压矢量所在扇区，以及三相定子电流各自的极性，得到由死区产生的a、b、c三相相对下桥臂直流母线的电压误差。
第二步、根据相对下桥臂直流母线的电压误差，利用相电压重构理论，得到由死区与管压降引起的a、b、c三相各自的相电压误差。
第三步、对相电压误差进行三相静止到两相静止坐标系的等幅值变换，得到相电压在两相静止坐标系下的电压误差。
第四步、再结合实时转子磁链位置角，计算在两相旋转坐标系的相电压误差。
第五步、在执行不连续脉宽调制DPWM调至策略前，对感应电机矢量控制算法产生的相电压在两相旋转坐标系的目标指令值进行电压前馈补偿，以补偿死区效应产生的相电压误差。
第六步、最后根据前馈补偿后得到的在两相旋转坐标系的指令电压，以及转子磁链角度和直流母线电压，执行不连续脉宽调制DPWM调制策略。
本发明是一种两相旋转坐标系下的电压前馈离线死区补偿策略，本发明根据相电流的极性计算每个开关周期的电压误差，并将其映射到两相旋转坐标系中，在执行不连续PWM调制策略前，对电压给定值进行前馈补偿，抵消因死区效应产生的电压误差，有效降低定子电流的谐波畸变。
根据本发明所述的一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法的优选方案，第一步中三相定子电流各自的极性采用如下方法得到：利用电流传感器检测三相定子的各相电流，将相电流经过低通滤波器滤波后，再进行A/D转换，根据数字量与电流值的数学关系，计算得到实际的电流值。
根据本发明所述的一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法的优选方案，第一步中a、b、c三相相对下桥臂直流母线的电压误差按如下方法确定。
①当电压矢量在I扇区和Ⅱ扇区时：
如果ia>0，则Δuan＝Δu3；如果ia<0，则Δuan＝Δu4。
如果ib>0，则Δubn＝Δu3；如果ib<0，则Δubn＝Δu4。
如果ic>0，则Δucn＝Δu1；如果ic<0，则Δucn＝Δu2。
②当电压矢量在Ⅲ扇区和Ⅳ扇区时：
如果ia>0，则Δuan＝Δu1；如果ia<0，则Δuan＝Δu2。
如果ib>0，则Δubn＝Δu3；如果ib<0，则Δubn＝Δu4。
如果ic>0，则Δucn＝Δu3；如果ic<0，则Δucn＝Δu4。
③当电压矢量在Ⅴ扇区和Ⅵ扇区时：
如果ia>0，则Δuan＝Δu3；如果ia<0，则Δuan＝Δu4。
如果ib>0，则Δubn＝Δu1；如果ib<0，则Δubn＝Δu2。
如果ic>0，则Δucn＝Δu3；如果ic<0，则Δucn＝Δu4。
其中：
其中：ia、ib、ic分别表示流入电机的a、b、c三相定子电流，并以流入电机定子方向为正向。
τ＝(td+ton-toff)/Ts；td为死区设置时间，ton为开关管开通延时时间，toff为开关管关断延时时间，Ts为开关周期。
dk为每相上桥臂导通占空比，k＝a、b、c。
Δuan、Δubn、Δucn分别是a、b、c相与下桥臂直流母线之间的电压误差；
udc为直流母线电压。
Δu1、Δu2、Δu3、Δu4代表四个电压误差值。该四个电压误差值均是根据死区和管压降计算得到，根据相电流的极性和电压扇区进行选取。
uvt为开关器件的导通压降，uvd为反并联二极管的管压降。
根据本发明所述的一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法的优选方案，第二步中a、b、c三相各自的相电压误差，用如下表达式计算；
其中：Δua、Δub、Δuc分别为a、b、c相的相电压误差；
Δuan、Δubn、Δucn分别为a、b、c相与下桥臂直流母线之间的电压误差。
根据本发明所述的一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法的优选方案，第五步中对目标指令值进行前馈补偿，补偿方法为：
其中：为两相旋转坐标系的指令电压。
为在两相旋转坐标系的目标指令值。
Δud、Δuq为在两相旋转坐标系的相电压误差。
本发明所述的一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法的有益效果是：本发明根据相电流的极性计算每个开关周期的电压误差，并将其映射到两相旋转坐标系中，在执行不连续PWM调制策略前，对电压给定值进行前馈补偿，抵消因死区效应产生的电压误差，补偿后定子电流波形得到修正，基波幅值得到提高，有效降低了定子电流的谐波畸变，并依然保持不连续PWM调制的方式，降低了逆变器的开关损耗，提高了逆变器系统的变换效率，可广泛应用在交流传动系统与光伏并网系统。
附图说明
图1为逆变器a相电流流向示意图。
图2为死区效应示意图，其中，PWM1*、PWM4*表示由DSP产生驱动VT1与VT4的理想开关信号。
图3a为电压矢量所在扇区示意图。
图3b为扇区I三相桥臂开关信号示意图；pa、pb、pc依次表示三相桥臂的开关信号。
图4为管压降与死区产生的电压误差示意图；PWM1、PWM4表示DSP产生加入死区后的VT1与VT4的开关信号，p1、p4依次表示考虑开通关断延时后VT1与VT4的实际开关信号。
图5为电压误差计算流程图。
图6a、b分别为补偿前和补偿后的定子电流波形图。
图7a、b分别为补偿前和补偿后的谐波分析图。
具体实施方式
实施例1：一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法，所述方法是用于驱动感应电机的三相电压源逆变系统中，包括如下步骤：
第一步、考虑器件开通延时时间ton，关断延时时间toff，死区设置时间td，开关周期为Ts，开关器件的导通压降uvt，反并联二极管的管压降uvd，根据目标电压矢量所在扇区，以及三相定子电流ia、ib、ic各自的极性，得到由死区产生的a、b、c三相相对下桥臂直流母线的电压误差如表一：
表一
即：
①当电压矢量在I扇区和Ⅱ扇区时：
如果ia>0，则Δuan＝Δu3；如果ia<0，则Δuan＝Δu4。
如果ib>0，则Δubn＝Δu3；如果ib<0，则Δubn＝Δu4。
如果ic>0，则Δucn＝Δu1；如果ic<0，则Δucn＝Δu2。
②当电压矢量在Ⅲ扇区和Ⅳ扇区时：
如果ia>0，则Δuan＝Δu1；如果ia<0，则Δuan＝Δu2。
如果ib>0，则Δubn＝Δu3；如果ib<0，则Δubn＝Δu4。
如果ic>0，则Δucn＝Δu3；如果ic<0，则Δucn＝Δu4。
③当电压矢量在Ⅴ扇区和Ⅵ扇区时：
如果ia>0，则Δuan＝Δu3；如果ia<0，则Δuan＝Δu4。
如果ib>0，则Δubn＝Δu1；如果ib<0，则Δubn＝Δu2。
如果ic>0，则Δucn＝Δu3；如果ic<0，则Δucn＝Δu4。
其中：
其中：ia、ib、ic分别表示流入电机的a、b、c三相定子电流，并以流入电机定子方向为正向。
τ＝(td+ton-toff)/Ts；td为死区设置时间，ton为开关管开通延时时间，toff为开关管关断延时时间，Ts为开关周期。
dk为每相上桥臂导通占空比，k＝a、b、c。
Δuan、Δubn、Δucn分别是a、b、c相与下桥臂直流母线之间的电压误差。
udc为直流母线电压。
Δu1、Δu2、Δu3、Δu4代表四个电压误差值。该四个电压误差值均是根据死区和管压降计算得到，根据相电流的极性和电压扇区进行选取。
uvt为开关器件的导通压降，uvd为反并联二极管的管压降。
其中，三相定子电流ia、ib、ic各自的极性采用如下方法得到：利用电流传感器检测三相定子的各相电流，将相电流经过低通滤波器滤波后，再进行A/D转换，根据数字量与电流值的数学关系，计算得到实际的电流值。
图3a为电压矢量扇区的划分依据，根据三相电压ua、ub、uc的大小关系进行判断。
第二步、根据相对下桥臂直流母线的电压误差，利用相电压重构理论，得到由死区与管压降引起的a、b、c三相各自的相电压误差；
Δua、Δub、Δuc分别为a、b、c相的相电压误差；
第三步、对相电压误差进行三相静止到两相静止坐标系(α-β轴系)的等幅值变换(Clarke变换)，得到相电压在两相静止坐标系(α-β轴系)下的电压误差；Δuα、Δuβ的计算表达式如下：
第四步、再结合实时转子磁链位置角θ，计算在两相旋转坐标系(d-q轴系)的相电压误差；Δud、Δuq为在两相旋转坐标系(d-q轴系)的相电压误差。
Δud、Δuq的计算表达式为：
第五步、在执行不连续脉宽调制DPWM调至策略前，对感应电机矢量控制算法产生的相电压在两相旋转坐标系(d-q轴系)的目标指令值进行电压前馈补偿，以补偿死区效应产生的相电压误差；补偿方法为：
其中：为两相旋转坐标系(d-q轴系)的指令电压。
为在两相旋转坐标系(d-q轴系)的目标指令值。
第六步、最后根据前馈补偿后得到的在两相旋转坐标系(d-q轴系)的指令电压以及转子磁链角度θ和直流母线电压udc，执行不连续脉宽调制DPWM调制策略。
本发明的实现原理是：
根据相电流的极性分析开关管的工作状态，参见附图1，此时，ia>0，ib>0，ic<0。当a相调制信号大于载波信号时，电流流经上桥臂开关管VT1，反之电流通过下桥臂二极管VD4完成续流，此时开关管VT4处于无效状态，b相开关管工作状态分析与a相一致。对于电流极性为负的c相，电流仅经过电流VT5或VD2，VT2处于无效状态。可以得到死区阶段相对下桥臂直流母线n的电压误差，参见图2。当ia>0时，死区引起电压uan减小；ia<0，死区引起电压uan增加。
参见图3a，当目标电压矢量在扇区I时，从图3b所示的一个开关周期Ts内三相桥臂的开关信号波形可以发现，此时a、b两相存在互补的开关动作，因此需要加入死区，c相则保持下桥臂开关器件始终导通。令死区时间为td，考虑器件开通延时时间ton，关断延时时间toff，开关器件的导通压降uvt，反并联二极管的管压降uvd，此时c相输出电压的误差表达式为：
a、b相的电压误差计算方法是相同的，它们的电压误差示意图参见附图4。可以得到一个开关周期内的电压误差计算表达式为：
在不同的电压扇区，每相桥臂的开关信号也不同，根据电压扇区与电流极性获取电压误差。再分别进行三相静止到两相静止坐标系(Clarke)变换与两相静止到两相旋转坐标系(Park)变换，最终得到Δud、Δuq。再进行电压前馈补偿，以补偿死区效应产生的相电压误差；最后根据前馈补偿后得到的在两相旋转坐标系(d-q轴系)的指令电压以及转子磁链角度θ和直流母线电压udc，执行DPWM调制策略。
实施例2，对电压源逆变器(voltage source inverter,VSI)感应电机驱动系统实验平台实施基于不连续脉宽调制的死区补偿方法，样机包括电池组构成的直流48V电压源，控制及驱动系统，感应电机与对托电机，转速转矩测量装置。首先在空载1000r/min的工况实施死区补偿方法，再在DPWM调制程序中加入电压前馈的补偿程序，设定开关频率为10kHz，死区时间设定为2微秒；参见图5，具体死区补偿方法为：
一、首先根据udc、θ计算每相的上桥臂占空比。
二、利用电流传感器检测三相定子的各相电流，将相电流经过低通滤波器滤波后，再进行A/D转换，根据数字量与电流值的数学关系，计算得到实际的电流值。
三、再根据实时定子电流ia、ib、ic，根据表一得到由死区产生的a、b、c三相相对下桥臂直流母线的电压误差Δuan、Δubn、Δucn；并非相对负载中性点的相电压。
四、根据相对下桥臂直流母线的电压误差，利用相电压重构理论，得到由死区与管压降引起的a、b、c三相各自的相电压误差。
Δua、Δub、Δuc分别为a、b、c相的相电压误差。
五、对相电压误差进行三相静止到两相静止坐标系(α-β轴系)的等幅值变换(Clarke变换)，得到相电压在两相静止坐标系(α-β轴系)下的电压误差；Δuα、Δuβ的计算表达式如下：
六、再结合实时转子磁链位置角θ，计算在两相旋转坐标系(d-q轴系)的相电压误差；Δud、Δuq为在两相旋转坐标系(d-q轴系)的相电压误差。
Δud、Δuq的计算表达式为：
七、对感应电机矢量控制算法产生的相电压在两相旋转坐标系(d-q轴系)的目标指令值进行电压前馈补偿，以补偿死区效应产生的相电压误差；补偿方法为：
其中：为两相旋转坐标系(d-q轴系)的指令电压；
为在两相旋转坐标系(d-q轴系)的目标指令值。
八、最后根据前馈补偿后得到的在两相旋转坐标系(d-q轴系)的指令电压以及转子磁链角度θ和直流母线电压udc，执行DPWM调制策略。
参见图6和图7，分别针对未补偿与采用本发明提出的补偿策略的定子电流的谐波进行比较，从图中可以看出，补偿前的定子电流波形正弦性不好，总谐波畸变率(totalharmonic distortion,THD)很高，补偿之后的电流波形明显变得比较正弦。图7中基波幅值由98.51提高到100.21，THD由12.71％降为6.06％，其中五次谐波相对基波幅值含量由6.5％降为3.5％，七次谐波相对基波幅值含量由3.2％降为1.8％。实施结果说明本发明采用的死区补偿方法是正确可行的，实现了对基于DPWM调制策略的死区效应引起的电压非线性误差进行有效补偿。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法，所述方法是用于驱动感应电机的三相电压源逆变系统中，其特征在于：包括如下步骤：
第一步、根据目标电压矢量所在扇区，以及三相定子电流各自的极性，得到由死区产生的a、b、c三相相对下桥臂直流母线的电压误差；
第二步、根据相对下桥臂直流母线的电压误差，利用相电压重构理论，得到由死区与管压降引起的a、b、c三相各自的相电压误差；
第三步、对相电压误差进行三相静止到两相静止坐标系的等幅值变换，得到相电压在两相静止坐标系下的电压误差；
第四步、再结合实时转子磁链位置角，计算在两相旋转坐标系的相电压误差；
第五步、对感应电机矢量控制算法产生的相电压在两相旋转坐标系的目标指令值进行电压前馈补偿，以补偿死区效应产生的相电压误差；
第六步、最后根据前馈补偿后得到的在两相旋转坐标系的指令电压，以及转子磁链角度和直流母线电压，执行不连续脉宽调制策略。
2.根据权利要求1所述的一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法，其特征在于：第一步中三相定子电流各自的极性，采用如下方法得到：利用电流传感器检测三相定子的各相电流，将相电流经过低通滤波器滤波后，再进行A/D转换，根据数字量与电流值的数学关系，计算得到实际的电流值。
3.根据权利要求1所述的一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法，其特征在于：第一步中a、b、c三相相对下桥臂直流母线的电压误差按如下方法确定；
①当电压矢量在I扇区和Ⅱ扇区时：
如果ia>0，则Δuan＝Δu3；如果ia<0，则Δuan＝Δu4；
如果ib>0，则Δubn＝Δu3；如果ib<0，则Δubn＝Δu4；
如果ic>0，则Δucn＝Δu1；如果ic<0，则Δucn＝Δu2；
②当电压矢量在Ⅲ扇区和Ⅳ扇区时：
如果ia>0，则Δuan＝Δu1；如果ia<0，则Δuan＝Δu2；
如果ib>0，则Δubn＝Δu3；如果ib<0，则Δubn＝Δu4；
如果ic>0，则Δucn＝Δu3；如果ic<0，则Δucn＝Δu4；
③当电压矢量在Ⅴ扇区和Ⅵ扇区时：
如果ia>0，则Δuan＝Δu3；如果ia<0，则Δuan＝Δu4；
如果ib>0，则Δubn＝Δu1；如果ib<0，则Δubn＝Δu2；
如果ic>0，则Δucn＝Δu3；如果ic<0，则Δucn＝Δu4；
其中：
其中：ia、ib、ic分别表示流入电机的a、b、c三相定子电流，并以流入电机定子方向为正向；
τ＝(td+ton-toff)/Ts；td为死区设置时间，ton为开关管开通延时时间，toff为开关管关断延时时间，Ts为开关周期；
dk为每相上桥臂导通占空比，k＝a、b、c；
Δuan、Δubn、Δucn分别是a、b、c相与下桥臂直流母线之间的电压误差；
udc为直流母线电压；
Δu1、Δu2、Δu3、Δu4代表四个电压误差值；
uvt为开关器件的导通压降，uvd为反并联二极管的管压降。
4.根据权利要求1所述的一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法，其特征在于：第二步中a、b、c三相各自的相电压误差，用如下表达式计算；
其中：Δua、Δub、Δuc分别为a、b、c相的相电压误差；
Δuan、Δubn、Δucn分别为a、b、c相与下桥臂直流母线之间的电压误差。
5.根据权利要求1所述的一种基于不连续脉宽调制的死区补偿方法，其特征在于：第五步中对目标指令值进行电压前馈补偿，补偿方法为：
其中：为两相旋转坐标系的指令电压；
为在两相旋转坐标系的目标指令值；
Δud、Δuq为在两相旋转坐标系的相电压误差。
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